基于C8051F的台式高速冷冻离心机系统设计与实现

摘  要： 介绍了一种基于C8051F的台式高速冷冻离心机系统的设计。该系统以C8051F020单片机为核心，设计了转速测控、温度测控、转子识别、操作显示电路及各软件控制程序。C8051F020资源丰富，大大简化了外围电路，降低了开发成本。经仿真调试和在某离心机公司试用证明，模块化设计使离心机的整体稳定性得以提高，各项测量参数准确，控制过程可靠。采用反射光编码技术自动识别转子， 简化了用户操作，保证了更高的安全性。
关键词： C8051F020；离心机；电机；转子识别
   　离心机是集机械、电子、制冷、真空、材料等多项技术于一体的样品分析分离仪器，广泛应用于生物医学、石油化工、农业、食品卫生等领域。它借助驱动设备使离心机转子高速旋转，利用不同物质在水溶液中因不同的密度、大小和形状而在离心力场中沉淀速度的差异，实现样品的分离、精制及纯化[1]。从1878年瑞典人DeLava1研制的牛奶分离器至今，离心机历经低速、高速、超速的变迁。低速离心机最大转速不超过6 000 r/min，主要用于固液沉降分离，通常直接在室温下运转；高速离心机最高转速可以达到20 000～25 000 r/min，也用于固液沉降分离，一般带有制冷系统，转速、温度和时间都可以严格准确地控制；超速离心机转速在25 000 r/min以上，都装有真空系统[2]。
　本系统针对台式高速冷冻离心机的性能要求，以C8051F020单片机作为核心处理器，采用模块化方法对其硬件和软件进行详细设计。
1 系统结构
　离心机整体结构由主机和附件组成。主机包括机壳、离心室、门盖、电机、驱动伺服系统、制冷系统、控制系统及操作显示部分，附件分为转子和离心管。其逻辑功能结构如图1所示。
   
   　驱动伺服系统负责驱动电机运转，控制电机的转速；制冷系统用来降低系统的温度，通过温度控制系统确保分离的样品在一个合适的温度环境；操作显示部分用来设置显示系统的各项参数，包括转子号、转速、离心力、温度、时间及故障提示；转子识别在启动低速时识别相应转子型号，以限制其最高转速，避免因人为设定错误导致转子超速，造成转子爆炸事故，保证安全；故障检测系统是当离心机因设定错误或运行中出现故障而进行的检测提示，并为保护系统正常工作和人身安全采取相应措施；系统控制是离心机的控制中心，负责离心机的各项参数设置和功能设定，管理和控制各个系统的运行情况。
2 硬件设计
　台式高速冷冻离心机的性能要求为：最高转速为25 000 r/min，转速控制精度为±50 r/min；时间可选择0～99 min；温度控制范围为-20℃～+40℃，控制精度为±1℃；可自动识别转子号，实现1～9挡升/降速方式。根据这些要求，系统选择C8051F020单片机为核心处理器，外围元件包括带霍尔传感器的三相无刷直流电机、功率驱动模块IGBT（FSBS15CH60F），温度传感器DS18B20、可控硅BT136、霍尔传感器A3144、液晶显示屏CA240128A、OMRON轻触开关及MAX485通信模块。
2.1 C8051F020
　C8051F020单片机是美国Cygnal公司Silicon Labs推出的完全集成的混合信号系统级MCU芯片，具有与MCS-51指令完全兼容的高速、流水线结构的CIP-51内核。它在一个芯片内集成了构成一个单片机数据采集或控制系统所需要的几乎所有模拟和数字外设及其他功能部件。这些外设部件的高度集成为设计小体积、低功耗、高可靠性和高性能的应用系统提供了方便，也可使系统的整体成本大大降低。JTAG调试和边界扫描接口可实现全速、非侵入式的系统实时动态调试[3]。
2.2 转速测量与控制
　离心机的分离品质由离心场力直接决定，其动力通常由电动机提供，在转子不变的情况下可通过调节电动机转速来控制离心力大小。实际中常用相对离心力RCF（Relative Centrifugal Force）即地心引力的倍数表示[4]：

   　转速调节部分是离心机的核心，主要由控制、功率驱动和电机三大要素组成。本系统采用IGBT模块FSBS15CH60F实现电机功率驱动，外部一端与单片机的PWM（Pulse Width Modulation）信号口相连，通过调节占空比来改变传输给电机的有效电压，实现电机速度控制以及9挡升降速；另一端U、V、W引脚与三相电机相连。电路如图2所示。